添加剂的作用

现今大多数润滑油均含有多种添加剂包，旨在提供特定应用中所需的性能。 部分润滑油可能仅由一种成分构成，如防锈剂，但有些润滑油则需要由若干不同的成分复合而成。 机油由多种化学成分复杂混合而成，从而提供现代发动机正常运转所需的保护和性能。

一般而言，添加剂具有以下三种作用之一： 保护基础油，增强基础油性质或保护其接触的表面。 有些添加剂具有多重功能，能在多个方面为机油提供保护并增强性能。

多年来，各种不同的机油营销商采用“无可比拟”、“无与伦比”或其他夸张字眼来吹嘘其添加剂系统，以获得更大的机油市场份额。 可追溯至 20 世纪 50 年代初期的“Pennzoil Z-7”老计划就是一个例子。 有些年轻人可能不知道，Z-7 是机油中一系列性能成分的简称： 1) 降凝剂；2) 抗氧化剂；3) 抗磨损剂；4) 防锈剂和缓蚀剂；5) 清洁剂/分散剂；6) 摩擦改进剂；和 7) 消泡剂。

这些基本方法仍在使用，但是现代的小型客车机油在燃油经济性以及抗氧化性方面还有一些额外的“优势”。 为了更好地了解添加剂系统的整体概况和机油添加剂的具体情况，本文特别介绍了用于调和 ILSAC GF-5 机油（最新行业规范）的典型添加剂包。

粘度指数改进剂

顾名思义，粘度指数改进剂能够提高机油的粘度指数。 粘度指数是机油粘度随温度发生变化的衡量标准。 在 40 到 100 摄氏度间的任意标准温度范围内，机油的粘度指数越高，油的粘度变化（增稠或变稀）越小，粘度指数越低，油的粘度变化越大。

粘度指数改进剂或改性剂为聚合物，通过与温度相关的溶解度工艺来发挥作用。 在较低温度下，该聚合物在油中的溶解度较低，从而产生较低的相对粘度。 在较高温度下，该聚合物在油中的溶解度较高，从而产生较高的相对粘度。 确切的增稠机制仍有待商榷。 有人认为，随着温度的升高，该聚合物在油中的形状会从盘绕结构转变成拉长结构。 但另一些人认为，溶解度只取决于温度，并不会发生任何结构变化。

其中一个重要性质为剪切稳定性，即因发动机中的机械剪切而损耗的增稠力。 该聚合物适用于发动机中高剪切速率的环境，可以分解（“剪切”），从而形成体积更小、活性更低的分子。 聚合物还会与剪切力方向对齐，造成临时的粘度损失，从而产生临时的剪切效应。 当剪切应力消失时，聚合物在油中的定向重新回到随机性更高的状态，于是粘度便会恢复为初始值。

为了满足与最新机油（如 SAE 0W-20 ）相关的粘度限制，配方设计师发现有必要使用粘度非常低的基础油。 随着粘度更低的机油进入市场，基础油粘度将持续降低，因此必须满足一些新的需求，有些可通过精炼解决，其他一些则需要添加化学成分。

降凝剂

润滑油的“倾点”是其能够继续流动的最低温度，在低温环境中，倾点越低越好。 被冷却时，油中的蜡状分子将变硬并聚集起来，从而阻碍流体流动。 因此，降凝剂是机油添加剂系统中的一个特殊组成部分： 其通过改变石蜡基础油中的蜡晶体来发挥作用。

较老的 API 第一类基础油炼油厂采用传统的溶剂脱蜡，基于熔点去除蜡质，正常目标约为零下 20 摄氏度。较新的 API 第二类和第三类基础油则通过加氢处理和裂解工艺改变油中的蜡，从而实现催化脱蜡。 工艺上的不同导致了所用 PPD 的不同。

溶剂脱蜡会在基础油中残留一系列的蜡结构，因此需要更广泛的 PPD。 对于催化脱蜡的基础油，PPD 必须更具体针对油中的蜡结构。 事实上，PPD 的合理选择需根据具体的基础油、工艺和粘度来确定。 PPD 领域的机油配方设计师和专家了解特定的基础油中适用的材料，并根据配方的需要进行选择。 一般情况下，低粘度油相对于较高粘度的油，会因为基础油中蜡的结构差异和蜡的存在量而有着不同的要求。

DI 因素

机油添加剂包通常称为分 DI 包。 DI 表示“分散剂-抑制剂”。

按体积计算，分散剂是机油添加剂的主要成分，在添加剂包体积中所占比例通常高达 50%。 顾名思义，分散剂的作用是防止各种污染物在机油中聚集。 污染物通常是因为发动机废气透过活塞环进入机油而产生的。 废气一旦进入机油，还会引起其他现象，例如形成油泥和漆膜以及氧化。 分散剂可控制这些不良因素（称为窜气），尽可能减少其对机油和发动机表面造成的不利影响。

如果用化学原理来解释，分散剂通过螯合作用捕获分散剂中活性位置的污染颗粒，从而发挥作用。 它就像螃蟹一样用螯将污染颗粒钳住。 实际上，螯合这一词语源自希腊语，意思是钳子。

最常见的分散剂化学物质采用含氮的大分子，氮位即为吸附并保留污染物的活性点。 （部分分散剂源自非氮基质。） 这些分子在机油被使用的过程中变暗，并最终被完全耗尽。 因此我们需要更换机油。

清洁剂和基础油

分散剂-抑制剂包中第二常见的成分为清洁剂。 清洁剂与其名称并不十分相符，因为这种化合物并不能清洁任何物质。 其作用主要是在金属表面上发生反应，形成一层保护膜，以最大限度地抑制沉积物形成。 清洁剂分子与金属表面之间形成强键，有效地防止窜气和氧化产物在金属表面上聚积。 清洁剂在二战期间问世，用来延长发动机（尤其是潜艇发动机）的工作寿命，并很快表现出用于地面车辆的价值。

在化学成分上，清洁剂通常为烷基金属磺酸盐、烷基金属酚盐或者烷基金属水杨酸盐。 这些物质通常采用镁、钙或钡（偶尔）等金属的氧化物进行中和，形成“低碱”清洁剂。 另外，这些物质也可用过量的金属氧化物中和，之后使用二氧化碳进行处理，形成“高碱”清洁剂。

低碱清洁剂通常为烷基磺酸盐。 烷基磺酸盐能够产生一种肥皂状结构，有效抑制污染物在活塞表面和环形槽中的沉积。

高碱清洁剂不仅能够通过肥皂状结构抑制污染物沉积，还可中和燃烧过程中形成的酸。 这一点在使用高硫燃油的情况下尤为重要，因为硫在参与燃烧的过程中遇水会形成氧化硫，继而形成硫酸或亚硫酸。 必须中和机油中的这些酸性化合物，以防止其腐蚀各种金属表面。

清洁剂类型的选择通常由添加剂配方设计师决定，也可能取决于各公司生产的材料。 添加剂供应商长期供应特定的清洁剂，能够对其进行组合优化。 通常情况下，低碱和高碱清洁剂的组合使用可以在发动机试验和现场使用中获得最佳性能。

抗磨剂

机油添加剂包中的另一主要成分是抗磨剂。 从历史上看，二烷基二硫代磷酸锌 (ZDDP) 能为发动机高负载区域提供抗磨损保护，防止金属的流失。

ZDDP 最早由优尼科公司的 Herbert Freuler 于 1944 年申请专利，历经 60 多年后的市场表现依然强劲。 ZDDP 同时含有磷和硫，可与金属表面反应而形成金属硫化物和磷化物的薄膜，能够消除并防止啮合面发生熔接。

ZDDP 的其他性质使其可用作抗氧化剂和抗腐蚀剂。 当 ZDDP 在氧化试验中与经典的无金属“无灰”抗氧化剂一起使用时，往往能产生协同作用。 它还能够保护多种轴承材料，包括铜、铅及铝合金。

ZDDP 也存在缺陷： ZDDP 中磷和硫的含量必须得到严格控制，以防止对车辆的排气系统造成任何负面影响。 机油中的磷会绕过活塞环进入排气系统，在催化式排气净化器上发生反应并生成坚韧的玻璃状沉积物，使催化式排气净化器失灵。 因此，已采用其他化合物来帮助防止磨损，同时也不对催化剂造成太大影响。 为此，含钼材料得到越来越多的应用。 另一种方法是使用挥发性较低的磷化合物，因为此类化合物会留在机油中，而不会进入排气系统。

另一类抗磨剂为金属二硫代氨基甲酸盐。 此类化合物含有硫，但不含磷，既可以有效防磨损，又具有抗氧化和抗腐蚀的作用。 其最常用的制作材料有锌、钼和锑金属。

氧化、摩擦与泡沫

抗氧化剂是添加剂系统的另一关键部分。 此类化合物通常为苯酚衍生物或苯基胺。 其作用原理是干扰可形成自由基（一种高活性物质）的氧化过程。 通过干扰自由基的形成，抗氧化剂能够减缓基础油的降解。 ZDDP 则是通过分解氧化过程中一种称为过氧化物的中间产物来减缓氧化过程。

为最大化机油的燃油经济性，摩擦改性剂已成为现代机油的主要成分（尽管在用量上并不占主要比例）。 在化学上，摩擦改性剂是一种表面活性剂，能够减少金属部件在移动时相互之间产生的阻力。 发动机的摩擦力大部分来自于活塞环与气缸衬垫的接触。

消泡剂在机油添加剂系统中用量虽小，却是至关重要的一部分。 虽然消泡剂仅以百万分之几的分量存在于机油中，但却能够改变油的界面张力，有助于从油中排出空气。 这一点十分重要，因为油中夹带的空气会加速氧化，并大大降低油的膜强度，导致金属与金属产生更多接触。 简而言之，气泡不利于润滑效果。

机油添加剂科学技术目前已有至少 75 年的发展历史。 毋庸置疑的是，添加剂技术仍将继续逐渐完善，也许不会突飞猛进，但随着新需求的出现，会产生新的或改进的化学成分来满足这些需求。

添加剂化学成分

下表列出了添加剂在润滑油中发挥的各种作用，以及使用的一些主要化学物质类型。